KR101893555B1 - 안테나 장치 - Google Patents

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KR101893555B1
KR101893555B1 KR1020170105500A KR20170105500A KR101893555B1 KR 101893555 B1 KR101893555 B1 KR 101893555B1 KR 1020170105500 A KR1020170105500 A KR 1020170105500A KR 20170105500 A KR20170105500 A KR 20170105500A KR 101893555 B1 KR101893555 B1 KR 101893555B1
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KR
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conductor
antenna device
antenna
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length
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KR1020170105500A
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박영미
황금철
박원빈
권오헌
윤주호
임홍준
송찬미
이성우
이종민
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국방과학연구소
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    • H01Q7/00—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop
    • H01Q7/06—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop with core of ferromagnetic material

Abstract

본 발명은 안테나 장치에 관한 것으로, 제1 도체; 상기 제1 도체의 중앙으로부터 테이퍼하게(tapered) 연장되는 제2 도체; 및 상기 제2 도체를 감싸면서 상기 제1 도체와 접하게 형성된 자성체를 포함할 수 있다.

Description

안테나 장치 {ANTENNA DEVICE}
본 발명은 안테나 장치에 관한 것이다.
VHF(Very High Frequency) 대역에서 동작하는 안테나는 긴 파장 특성 때문에 안테나의 크기가 크고 무게가 무겁다는 단점이 있다. 특히, 항공기, 차량 등과 같은 제한된 공간에 VHF 대역의 안테나를 적용하기 위해서는 안테나의 절대적인 크기와 무게를 줄일 필요가 있다.
그러나, 안테나의 파장 대비 절대적인 크기가 작아지면 안테나의 이득이 감소하는 결과를 초래하게 된다.
한국등록특허 10-1077793호 (2011.10.24 등록)
본 발명의 실시예에서는, 이득을 개선시키면서 그 크기를 소형화할 수 있는 안테나 제조 기술을 제안하고자 한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 제1 도체; 상기 제1 도체의 중앙으로부터 테이퍼하게(tapered) 연장되는 제2 도체; 및 상기 제2 도체를 감싸면서 상기 제1 도체와 접하게 형성된 자성체를 포함하는 안테나 장치를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 안테나 장치의 전기적인 파장은, 상기 자성체의 유전율(permittivity)과 투자율(magnetic permeability)의 곱의 제곱근에 비례할 수 있다.
또한, 상기 제1 도체는, 원형 평판 도체일 수 있다.
또한, 상기 제2 도체는, 콘(cone) 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 안테나 장치의 전기적인 파장은 제1 길이 및 제2 길이의 합에 비례하고, 상기 제1 길이는 상기 제1 도체와 상기 제2 도체가 만나는 지점으로부터 상기 제1 도체의 외주까지의 길이이고, 상기 제2 길이는 상기 제1 도체와 상기 제2 도체가 만나는 지점으로부터 상기 제2 도체의 상기 콘 형상의 꼭지점까지의 길이일 수 있다.
또한, 상기 안테나 장치의 상기 전기적인 파장은, 상기 합에 상기 유전율과 상기 투자율의 곱의 제곱근을 곱한 값과, 상기 제1 길이를 더한 값일 수 있다.
또한, 상기 자성체는, 페라이트 물질(ferrite material)로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1 도체와 상기 제2 도체는 일체형으로 제조될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, VHF 대역에서 동작하는 코니컬 안테나에 자성체를 접합하여 안테나 자체의 크기를 줄이면서 이득을 극대화시킬 수 있다. 이로 인해, 무인기, 차량 등에 소형의 고성능 코니컬 안테나를 용이하게 적용할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 안테나 장치(100)의 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 안테나 장치(100)의 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 안테나 장치(100)의 가상 구를 예시한 도면이다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 안테나 장치(100)의 등가회로를 예시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 안테나 장치(100)의 반사계수 및 이득을 각각 예시한 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치(100)의 단면도이다.
도 4b는 도 4a의 안테나 장치(100)의 사시도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치에 포함되는 자성체, 예컨대 페라이트 물질(ferrite material)(200)의 투자율 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치에 포함되는 자성체, 예컨대 페라이트 물질(200)의 자계손실 값과 페라이트 물질(200)에 따른 안테나 장치(100)의 이득 값을 주파수에 따라 각각 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치(100)의 자계강도 필드(H-field)를 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치(100)의 이득 시뮬레이션 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치(100)의 방사패턴 시뮬레이션 결과를 예시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범주는 청구항에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 실제로 필요한 경우 외에는 생략될 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 실시예는 VHF 대역의 파장을 유지할 수 있도록 안테나 장치에 자성체, 예를 들어 페라이트 물질(ferrite material)을 접합하여 안테나 자체의 크기를 줄이면서 이득을 극대화시킬 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 안테나 장치(100)의 단면도와 사시도를 각각 예시한 도면이다.
도 1a 및 도 1b에 예시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 안테나 장치(100)는, 예를 들어 코니컬 안테나(conical antenna)일 수 있으며, 원형의 평판으로 형성된 제1 도체(102)와, 콘 형상의 제2 도체(104)로 이루어질 수 있다.
이러한 제1 도체(102)와 제2 도체(104)는 각 부분의 설명을 용이하게 하기 위해 영역별로 구분한 것이며, 제1 도체(102)와 제2 도체(104)는 안테나 장치(100)를 구성하도록 일체형으로 제조될 수 있다. 이때, 제2 도체(104)가 콘 형상으로 제조되면서 안테나 장치(100)의 상부면에는 공동(空洞, cavity)이 형성될 수 있다.
이와 같은 안테나 장치(100)는 항공기, 차량 등 제한된 공간에 실장이 가능하도록 다음 [표 1]과 같은 규격을 가질 수 있다.
변수 (parameter) 값 (value)
2R 466.86mm
a 210.09mm
h 50mm
t 2.5mm
[표 1]에서 2R은 안테나 장치(100)의 지름을, a는 제1 도체(102)와 제2 도체(104)가 만나는 지점으로부터 제1 도체(102)의 외주까지의 길이를, h는 안테나 장치(100)의 높이를, t는 제1 도체(102)의 두께를 각각 나타낸다.
[표 1]의 규격에서 알 수 있듯이, 콘 형상의 제2 도체(104)로 인해 코니컬 안테나의 전체적인 크기를 줄였으며, 특히 높이 h는 항공기, 차량 등 제한된 공간에 실장이 가능하도록 그 값을, 예를 들어 50 mm로 설정하였다.
안테나 장치(100)의 최저 동작 주파수는, 예를 들어 20 MHz로 설계될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 안테나 장치(100)는 최저 주파수 파장 대비 0.031*0.031*0.003 λ3 L의 매우 작은 크기를 가질 수 있다. 여기서, λL은 최저 동작 주파수를 나타내는 변수이며, λ3 L는 이를 부피로 표현한 단위이다.
한편, 안테나 장치(100)의 제2 도체(104)가 연장되는 방향(예를 들어, 제2 도체(104)의 콘 형상의 꼭지점의 -z축 방향)에는 급전부(도시 생략됨)가 연결될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 안테나 장치(100)는 모노폴(monopole) 안테나와 유사하게 TM 모드(Transverse Magnetic mode)로 동작될 수 있다.
다만, 이러한 [표 1]의 규격은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 예시로서, [표 1]의 규격에 한정될 필요는 없다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 안테나 장치(100)의 가상 구와 TM 모드 안테나의 등가회로를 각각 예시한 도면이다.
도 2a는 안테나의 전체 크기를 둘러싸는 가상적인 구를 의미한다. 파상수(wavenumber) k(=2π/λ)와 구의 반지름 r의 곱인 kr은 안테나의 소형화 척도를 나타내는 ka와 같은 값을 가지며, ka의 값이 0.5보다 작은 안테나를 전기적으로 소형화된 안테나라고 한다. 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 안테나 장치(100)는, 예를 들어 20 MHz를 기준으로 ka=0.1의 크기를 갖는 초소형 안테나가 적용될 수 있다.
도 2b는 TM 모드로 동작하는 전기적인 소형 안테나의 등가회로이다.
RLC 소자 모두 파동 임피던스(wave impedance)인 η값을 가지고 있지만, 정규화를 통해서 도 2b와 같이 표현될 수 있다. a는 도 2a에서의 구의 반지름 r을 의미하며, c는 전자기파의 자유공간상의 속도, 예를 들어 3*108 m/s일 수 있다. 도 2b의 등가회로에서의 Zin은 이상적인 안테나 조건에서의 값이며, 이를 통해서 얻어지는 반사계수 값은 가상 구의 반지름이 r인 소형안테나의 이론적인 최소 반사계수를 의미한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 안테나 장치(100)의 이론적인 반사계수 및 최대 이득을 각각 나타낸 그래프이다.
이론적인 반사계수 그래프는 안테나의 소형화 정도를 나타내는 ka에 따른 최소 반사계수 그래프이다. 최소 반사계수의 값은 도 2b의 등가회로를 입력 임피던스 50Ω으로 시뮬레이션하여 구하였다.
최대 이득 그래프는 안테나의 이득을 이론적으로 계산하는 다음 [수학식 1]을 통해서 주파수에 따라서 나타낼 수 있다.
Figure 112017080570383-pat00001
[수학식 1]에서 e cd 는 도체 손실과 유전체 손실을 의미하며, Γ 2 는 안테나의 반사계수의 제곱을 의미한다. 도 1a의 안테나 장치(100)는 유전체는 존재하지 않으며 도체손실은 거의 없기 때문에 e cd 는 1의 값으로 계산될 수 있다. [수학식 1]에서 안테나의 지향성(directivity)을 의미하는 D는, 소형화된 안테나를 기준으로 주파수에 관계없이 최대 3의 값을 가질 수 있다. 앞서 시뮬레이션을 통해서 구한 최소 반사계수 값을 이용하면 주파수에 따른 안테나의 최대 이득을 계산할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치(100)의 단면도 및 사시도를 예시한 도면이다.
도 4a 및 도 4b에 예시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치(100)는, 예를 들어 코니컬 안테나 방식을 이용할 수 있으며, 원형의 평판으로 형성된 제1 도체(102), 콘 형상의 제2 도체(104), 그리고 제1 도체(102) 및 제2 도체와 접하게 형성된 자성체(200)를 포함할 수 있다.
도 4a 및 도 4b에서 제1 도체(102)와 제2 도체(104)는 각 부분의 설명을 용이하게 하기 위해 영역별로 구분한 것이며, 제1 도체(102)와 제2 도체(104)는 안테나 장치(100)를 구성하도록 일체형으로 제조될 수 있다. 이때, 제2 도체(104)가 콘 형상으로 제조되면서 안테나 장치(100)의 상부면에는 공동(空洞, cavity)이 형성될 수 있다.
이와 같은 안테나 장치(100)는 항공기, 차량 등 제한된 공간에 실장이 가능하도록 상술한 [표 1]과 같은 규격을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 이러한 안테나 장치(100)에 자성체(200)를 접합한 것을 특징으로 하며, 이러한 자성체(200)는, 예를 들어 페라이트 물질(ferrite material)을 포함할 수 있다.
도 4a에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 페라이트 물질(200)은 제2 도체(104)를 감싸면서 제1 도체(102)와 접하게 형성될 수 있으며, 높이 h'와 길이 i의 규격을 가질 수 있다. 여기서, 높이 h'는 제2 도체(104)의 콘 형상의 꼭지점으로부터 제1 도체(102)의 접하는 부분까지의 길이를 나타내며, 길이 i는 제1 도체(102)의 지름(2R)과 동일한 규격을 가질 수 있다.
이와 같은 페라이트 물질(200)이 접합된 안테나 장치(100)는, 페라이트 물질(200)의 전기적인 특성, 예를 들어 유전율 ε(permittivity)과 투자율 μ(permeability)에 따라서 전자기파의 위상속도(phase velocity)가 변하게 된다. 위상속도는 유전율과 투자율을 곱한 값의 제곱근에 반비례할 수 있다.
도 1a와 같이, 페라이트 물질이 없을 경우의 안테나 장치(100)의 전기적인 파장은 다음 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018054909134-pat00020
반면, 본 발명의 실시예와 같이 페라이트 물질(200)이 접합되어 있을 경우의 안테나 장치(100)의 전기적인 파장은 다음 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017080570383-pat00003
[수학식 2]와 [수학식 3]에서 a는 제1 도체(102)와 제2 도체(104)가 만나는 지점으로부터 제1 도체(102)의 외주까지의 길이, b는 제1 도체(102)와 제2 도체(104)가 만나는 지점으로부터 제2 도체(104)의 콘 형상의 꼭지점까지의 길이를 각각 나타낸다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치(100)에 의하면,
Figure 112017080570383-pat00004
의 값이 클수록 안테나의 전기적인 파장 λ는 커지기 때문에, 안테나의 크기를 소형화할 수 있다.
TM 모드로 동작하는 본 발명의 안테나 장치(100)의 경우, 유전율인 ε의 값이 커지면 안테나의 Q값이 높아지기 때문에 상대적으로 유전율 ε보다는 투자율인 μ의 값이 커져야 한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치(100)는 자성체인 페라이트 물질을 통해서 이득 측면에서의 안테나의 소형화를 구현하였다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치(100)에 접합되는 자성체, 예를 들어 페라이트 물질의 투자율을 예시한 그래프이다.
도 5에 예시한 그래프는 특정 페라이트 물질(4D2, 4E2)의 주파수에 따른 μ'과 μ''값을 나타낸다. 도 5에 예시한 페라이트 물질(4D2, 4E2)는, 예를 들어 유전율 ε이 12인 값을 가지고 있으며, 다른 페라이트에 비해서 상대적으로 투자율 μ이 크며, 자계 손실(magnetic loss tangent)값이 작아서 소형화 안테나에 적용하기에 적합한 특성을 지닌다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치(100)에 접합되는 페라이트 물질의 자계손실 값을, 도 6b는 페라이트 물질에 따른 안테나의 이득 값을 주파수에 따라 나타낸 그래프이다.
도 6a는 페라이트 물질의 자계손실을 μ''/μ'로 계산하여 주파수에 따라서 나타내었다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 페라이트 물질(4D2)는 저주파에서 손실이 적으며, 페라이트 물질(4E2)는 고주파에서 손실이 적음을 알 수 있다.
도 6b는 본 발명의 실시예에 따라 페라이트 물질을 접합한 안테나 장치의 이득을 시뮬레이션한 결과를 예시한 그래프이다.
도 4a의 페라이트 물질(200)의 높이(h')와 길이(i)의 값을 각각 12mm, 466.86mm의 규격으로 설계한 경우, 도 6b에 도시된 바와 같이 안테나의 이득은 물질이 접합되기 전과 비교하여 저주파에서 이득이 개선되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 저주파의 손실이 적은 페라이트 물질(4D2)은 동일한 조건에서 저주파 이득이 크며 고주파 이득은 페라이트 물질(4E2)이 더 크게 나타날 수 있다. 최저 주파수 관점에서 동일한 코니컬 안테나의 절대적인 크기가 더 큰 안테나는 높은 이득을 나타낸다. 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치(100)는 페라이트 물질(200)을 통해서 절대적인 크기가 작은 안테나로 동일한 이득을 얻을 수 있으며, 이는 안테나의 소형화를 의미할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치(100)의 자계강도 필드(H-field)를 예시한 도면이다.
도 7에 예시된 바와 같이, 자계강도 필드(H-field)가 안테나 장치(100)의 중심부의 제2 도체(104)의 콘(cone) 부분에 집중적으로 분포함을 알 수 있다. 이를 통해서, 자성체인 페라이트 물질을 제2 도체(104)의 콘 중심에 중점적으로 접합하는 것이 바람직하다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치(100)의 이득을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 4b의 페라이트 물질(200)의 높이(h')와 길이(i)의 값을 각각 47.5mm, 120mm의 규격으로 설계한 경우, 페라이트 물질을 접합하기 전과 비교하여 저주파 이득이 증가함을 알 수 있으며, 이론적인 최대이득에 거의 근접함을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치(100)의 방사패턴 시뮬레이션 결과를 예시한 도면이다.
도 9는 각각 주파수 20MHz, 40MHz, 60MHz, 80MHz, 100MHz에 대한 패턴을 나타내며, 각 그래프는 xy-평면과 yz-평면의 방사패턴이 동일하여 하나의 그래프로 나타내었다. 접지면이 무한 도체 평면인 것으로 가정하여 시뮬레이션을 진행하였으며, θ(theta) 값이 -90도에서 90도의 값을 갖는다. 주파수가 증가함에 따라서 파장 대비 안테나의 크기가 커져 이득이 증가하며, 전체적으로 무지향성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 페라이트 물질을 이용하여 절대적인 크기가 큰 안테나와 동일한 이득을 갖는 초소형화된 코니컬 안테나를 구현할 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치를 무인기, 차량 등에 실장하여 20 내지 100 MHz 대역에서의 수신용 안테나로 사용할 수 있다.
100: 안테나 장치
102: 제1 도체
104: 제2 도체
200: 자성체(페라이트 물질)

Claims (8)

  1. 제1 도체;
    상기 제1 도체의 중앙으로부터 테이퍼하게(tapered) 연장되는 콘(cone) 형상의 제2 도체; 및
    상기 제2 도체를 감싸면서 상기 제1 도체와 접하게 형성된 자성체를 포함하는
    안테나 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 장치의 전기적인 파장은, 상기 자성체의 유전율(permittivity)과 투자율(magnetic permeability)의 곱의 제곱근에 비례하는
    안테나 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 도체는, 원형 평판 도체인
    안테나 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 안테나 장치의 상기 전기적인 파장은, 제1 길이 및 제2 길이의 합에 상기 유전율과 상기 투자율의 곱의 제곱근을 곱한 값과, 상기 제1 길이를 더한 값이고,
    상기 제1 길이는 상기 제1 도체와 상기 제2 도체가 만나는 지점으로부터 상기 제1 도체의 외주까지의 길이이고,
    상기 제2 길이는 상기 제1 도체와 상기 제2 도체가 만나는 지점으로부터 상기 제2 도체의 상기 콘 형상의 꼭지점까지의 길이인
    안테나 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성체는, 페라이트 물질(ferrite material)로 이루어진
    안테나 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 도체와 상기 제2 도체는 일체형으로 제조되는
    안테나 장치.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040070312A (ko) * 2002-01-17 2004-08-06 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 리더/라이터용 안테나 및 그 안테나를 구비한 리더/라이터
KR101077793B1 (ko) 2002-10-23 2011-10-28 소니 주식회사 광대역 안테나
KR20130057468A (ko) * 2010-07-30 2013-05-31 사란텔 리미티드 안테나

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